五氧化二鉭微-納米柱陣列膜的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種Ta2O5微-納米柱陣列膜的制備方法。該方法是把氟化氨溶液和過硫酸銨溶液相混合，用硫酸銨或尿素調(diào)節(jié)其pH值，進(jìn)而改變其蝕刻速度，并把Ta片放入其中，水熱狀態(tài)下150-240℃反應(yīng)12-72h制備Ta2O5陣列膜。通過改變氟化氨和過硫酸銨的量和調(diào)節(jié)pH值，改變水熱溫度和時(shí)間，可以控制陣列膜的厚度，形貌，尺寸。本發(fā)明操作簡單可行，一步法完成，綠色環(huán)保，尺寸均一，并且具有很高的光催化活性和催化壽命，具有潛在的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】五氧化二鉭微-納米柱陣列膜的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種五氧化二鉭微-納米柱陣列膜的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在過去的幾十年里，半導(dǎo)體材料因其在空氣污染凈化，固體廢棄物處理和污水處理等環(huán)保方面的應(yīng)用受到了廣泛的關(guān)注。各種半導(dǎo)體材料層出不窮，其中五氧化二鉭由于其在光催化方面的活性以及高的壓電常數(shù)，高的折射率和化學(xué)穩(wěn)定性，正越來越多的受到關(guān)注。探討不同形貌不同結(jié)構(gòu)五氧化二鉭的合成制備已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。一維材料因其尺寸的各向異性以及在微電子設(shè)備，能量轉(zhuǎn)化，光發(fā)射顯示屏和化學(xué)傳感器方面的廣泛應(yīng)用一直是備受關(guān)注。此外，作為寬帶隙(4.0eV)的半導(dǎo)體材料，五氧化二鉭也是紫外光下降解染料和有機(jī)化學(xué)物的重要的候選光催化材料。
[0003]目前，所報(bào)道的制備Ta2O5陣列的方法主要有以下幾種:熱燈絲金屬氧化物氣相沉積制備了五氧化二鉭ID納米柱陣列；通過金屬Ta在氟化氫和硫酸電解液中陽極化反應(yīng)制備了直徑30-50nm的酒窩狀Ta陣列；通過金屬Ta在氟化氫和硫酸電解液中陽極化反應(yīng)制備了直徑20nm長920nm的Ta2O5納米管陣列膜；通過用多孔的Al2O3覆蓋后進(jìn)行陽極化反應(yīng)然后氮化得到豎直排列的Ta3N5納米柱陣列。但是這些技術(shù)中，在制備尺寸均勻可調(diào)，生產(chǎn)成本低，環(huán)境友好，大批量生產(chǎn)已經(jīng)工業(yè)應(yīng)用方面都不能很好的滿足需要，急需解決。因此，如何用一種簡單廉價(jià)的方法大規(guī)模制備出尺寸均勻可調(diào)，適用于工業(yè)應(yīng)用的方法仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種新的Ta2O5微-納米柱陣列膜的制備方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。以鉭金屬為基底，在氟化氨和過硫酸銨與硫酸銨或尿素溶液的混合溶液中進(jìn)行水熱反應(yīng)，可以制備出大規(guī)模高密度、尺寸可調(diào)的Ta2O5微-納米柱陣列膜。本發(fā)明操作簡單、適用性強(qiáng)。
[0005]本發(fā)明提供的一種Ta2O5微-納米柱陣列膜的制備方法包括的步驟:
[0006]I)將等體積的NH4F水溶液和(NH4) 2S208水溶液混合均勻。
[0007]2)上述混合溶液中加入(NH4) 2S04或CO (NH2) 2調(diào)節(jié)溶液的pH值至少為3-5。
[0008]3)將溶液轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯的釜中，加入金屬鉭片，在150-240°C下進(jìn)行水熱反應(yīng)12-72小時(shí)。
[0009]4)冷卻至室溫，取出金屬鉭片，用去離子水沖洗干凈，然后室溫下晾干，得到鉭金屬為基底的Ta2O5微-納米柱狀陣列膜。
[0010]所述NH4F 溶液為 1.3-1.6M NH4F 水溶液；(NH4)2S2O8 溶液為 0.17-0.26M (NH4) 2S208水溶液。可選水熱反應(yīng)條件是180-200°C，24-48小時(shí)。
[0011]所述金屬鉭片純度為99.99%，厚度為0.25mm。
[0012]所述柱狀陣列膜的直徑達(dá)0.5-3 μ m。
[0013]本發(fā)明提供的一種Ta2O5微-納米柱陣列膜的制備方法與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明采用水熱方法，能生成尺寸均勻的柱狀陣列，并且方法簡單可行。另外所生成的陣列膜紫外光下降解羅丹明B和光解水產(chǎn)氫，催化效果都很好。最高Ta2O5陣列膜的降解效率10分鐘的時(shí)候是96.3%約是P25 (45.2% )的2倍，約是Ta2O5原料(17.5% )的5倍。Ta2O5陣列膜光解水反應(yīng)中產(chǎn)氫氣量是9933.HSym0IXtT1Xg'而且，由于五氧化二鉭陣列是長在Ta片上的，所以很容易在催化后回收，與粉末狀的催化劑相比極大地避免了在下游分離中的催化劑損耗。本發(fā)明可以控制陣列膜的厚度，形貌，尺寸。操作簡單可行，一步法完成，綠色環(huán)保，尺寸均一，并且具有很高的光催化活性和催化壽命，具有潛在的工業(yè)實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為實(shí)施例1所得到的Ta2O5微-納米柱陣列膜的SEM照片。
[0015]圖2為實(shí)施例2所得到的Ta2O5微-納米柱陣列膜的SEM照片。
[0016]圖3為實(shí)施例3所得到的Ta2O5微-納米柱陣列膜的SEM照片。
[0017]圖4為實(shí)施例4所得到的Ta2O5微-納米柱陣列膜的SEM照片。
[0018]圖5為實(shí)施例1-4所得陣列膜的XRD圖。
[0019]圖6為實(shí)施例1所制得的樣品在紫外光下降解RhB的催化活性和催化劑壽命圖。
[0020]圖7為實(shí)施例1所制得的樣品在紫外光下所得陣列膜光解水產(chǎn)氫與P25和五氧化二鉭原料的對比圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】及附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整的說明。
[0022]實(shí)施例1
[0023]1mL 1.6M NH4F水溶液和1mL 0.26M (NH4) 2S208水溶液在磁力攪拌下混合形成其混合溶液。將0.30g (NH4) 2S04在磁力攪拌下加入到上述混合溶液中，pH值為3 (即混合溶液為酸性)，調(diào)節(jié)不同的反應(yīng)物的量制備多種平行實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物。然后溶液轉(zhuǎn)入30ml聚四氟乙烯的釜中，封閉之前加入1X 10X0.25mm的Ta片(純度為99.99% )，然后在200°C水熱48小時(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將Ta片拿出，用去離子水沖洗干凈，然后室溫下晾干。所得到的樣品是表面光滑的柱狀陣列膜，直徑約為2.9 μ m，SEM如圖1。
[0024]實(shí)施例2
[0025]實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施例1 一致，所不同的是加入的(NH4)2SO4為0.5g。所得到的樣品是具有螺旋紋的微納米柱狀陣列膜，直徑約為2.7 μ m，SEM如圖2。
[0026]實(shí)施例3
[0027]實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施例1 一致，所不同的是把所加(NH4) 2S04換成的CO (NH2) 20.15g。所得到的樣品是針狀尖端的微柱狀陣列膜，直徑約為1.5μπι，SEM如圖3。
[0028]實(shí)施例4
[0029]實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)施例3 —致，所不同的是加入的CO(NH2)2為0.3g。所得到的樣品是頂端像錢幣的平頭柱陣列膜，直徑約為2.5μπι，SEM如圖4。
[0030]圖5為所得陣列膜的XRD圖驗(yàn)證了所得陣列膜，主要是由五氧化二鉭組成。
[0031]實(shí)施例5
[0032]考察本發(fā)明實(shí)施例1所制得的Ta2O5微-納米柱陣列膜在紫外光下降解RhB的催化活性和催化壽命。將所得的Ta2O5微納米柱狀陣列膜0.1g放入200ml RhB(0.01g/L)中，黑暗中攪拌30分鐘達(dá)到吸附-脫附平衡，然后每10分鐘取一次樣，用液體紫外測其吸光度，計(jì)算C/Q，做循環(huán)降解實(shí)驗(yàn)，循環(huán)6次，結(jié)果如圖6。
[0033]實(shí)施例1所制得的陣列膜(第一次)的催化效率是96.3%，實(shí)施例1所制得的陣列膜，經(jīng)過6次循環(huán)測試后催化效果沒有降低。
[0034]實(shí)施例6
[0035]考察本發(fā)明實(shí)施例1所制得的Ta2O5微-納米柱陣列膜在紫外光下光解水產(chǎn)氫的催化活性，將0.1g所得的陣列膜放入10ml含10%甲醇的水溶液中，真空抽30分鐘，然后用200W的Xe燈(紫外光)照射，每I小時(shí)取一次樣，在線用熱島氣相色譜分析(VarianCP-3800)。結(jié)果如圖7 (左圖)。
[0036]所用的陣列膜高度和總Ta片的高度對比通過計(jì)算，從而計(jì)算出每克Ta2O5所產(chǎn)的氫氣量。結(jié)果如圖7(右圖)。
[0037]由圖7(左圖)可知，所得陣列膜在5小時(shí)內(nèi)的單位時(shí)間單位質(zhì)量下氫氣量的曲線。由右圖可知，經(jīng)過計(jì)算含陣列的Ta片上Ta2O5陣列膜在單位時(shí)間單位質(zhì)量所產(chǎn)氫氣的量是 9933.175 μ mol XIT1X g_1。
【權(quán)利要求】
1.一種五氧化二鉭微-納米柱陣列膜的制備方法，其特征在于包括的步驟: 1)將等體積的NH4F水溶液和(NH4)2S2O8水溶液混合均勻； 2)上述混合溶液中加入(NH4)2SO4或CO(NH2)2調(diào)節(jié)溶液的pH值至少為3_5: 3)將溶液轉(zhuǎn)入聚四氟乙烯的釜中，加入金屬鉭片，在150-240°C下進(jìn)行水熱反應(yīng)12-72小時(shí)。 4)冷卻至室溫，取出金屬鉭片，用去離子水沖洗干凈，然后室溫下晾干，得到Ta2O5微-納米柱狀陣列膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的NH4F溶液為1.3-1.6M的NH4F水溶液。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的(NH4)2S2O8溶液為0.17-0.26M的(NH4)2S2OyjC溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的水熱反應(yīng)條件是180-20(TC，24-48小時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述的金屬鉭片純度為99.99%，厚度為 0.25mm。
6.權(quán)利要求1-5任一所述的制備方法得到的五氧化二鉭微-納米柱狀陣列膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的五氧化二鉭微-納米柱狀陣列膜，其特征在于所述的柱狀陣列膜的直徑為0.5-3 μ m。
【文檔編號】C02F103/30GK104353451SQ201410668426
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月19日
【發(fā)明者】關(guān)乃佳, 李菊霞, 李蘭冬, 武光軍, 戴衛(wèi)理 申請人:南開大學(xué)